一种球形机器人的制作方法

本发明涉及微型机器人领域，特别是涉及一种球形机器人。

背景技术：

球形移动机器人是指将内部驱动系统，如运动执行机构、传感器、能源装置、控制系统等安置在球形壳体内，通过内驱动并以滚动为主要行走方式的移动机器人。

球形移动机器人通过内部驱动装置的运动打破球体的静态平衡，运动灵活，可以实现原地转向和全方向行走，可在狭窄空间内作业，其驱动原理基本上分为两种，一种是驱动装置与球形外壳内表面直接接触，通过摩擦力作用使驱动装置的运动转化为球壳的转动，从而带动整个机器人运动；另一种是通过驱动装置的运动改变机器人的重心位置，同时驱动装置的加减速运动产生惯性力，机器人在偏心力矩和惯性力矩的作用下滚动。

采用驱动装置与球壳直接接触的球形移动机器人，结构相对简单，易于控制，但是转向能力较差，长时间运行后转向机构与球壳磨损严重，会影响机器人稳定运行。而采用改变机器人重心位置进行驱动，机器人的驱动方式更加简单灵活，抗震性强，但对运动执行机构及控制系统提出更高要求，加大了控制难度。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种结构简单、易于控制的球形机器人。

本发明所采用的技术方案是：

一种球形机器人，包括球形外壳以及在球形外壳内部的驱动装置，所述驱动装置包括：

骨架，与球形外壳活动连接；

配重，在球形外壳内具有至少三个方向的线性平移自由度并能移动至球形外壳的中心，各所述线性平移自由度并不全部在同一平面上；

安装在骨架上的配重驱动件，配重驱动件的输出端驱动配重在上述的方向上线性平移；

以及作为配重的电池和电路控制板，电池为配重驱动件和电路控制板供电，电路控制板信号连接配重驱动件。

作为本发明的进一步改进，配重驱动件驱动配重沿线性方向的平移，使得配重偏离球形外壳的中心主轴并与主轴产生夹角，由此产生的偏心力矩使带动器人滚动和转向。

作为本发明的进一步改进，所述驱动装置包括设置在球形外壳上或者骨架上的惯性测量单元，所述惯性测量单元信号连接电路控制板并由电池供电。

作为本发明的进一步改进，所述惯性测量单元包括若干传感器。

作为本发明的进一步改进，所述配重驱动件与骨架的重心大致位于球形外壳的中心位置。

作为本发明的进一步改进，所述配重驱动件包括至少三组直线驱动部件，每组直线驱动部件对应驱动配重在一个方向的线性平移，每组直线驱动部件包括输出方向相互平行的两台直线步进电机，每组直线驱动部件的两台直线步进电机对向安装或背向安装。

作为本发明的进一步改进，每组直线驱动部件的两台直线步进电机以球形外壳的中心呈中心对称分布。

作为本发明的进一步改进，所述配重驱动件通过连接并驱动所述的骨架来驱动配重。

作为本发明的进一步改进，所述骨架至少包括由外至内设置的第一轴框架、第二轴框架和第三轴框架，第一轴框架与第二轴框架、第二轴框架与第三轴框架、第一轴框架与第三轴框架通过不同组的直线驱动部件连接，配重与第三轴框架固定连接。

作为本发明的进一步改进，每一轴框架上均设有滑轨，对应直线驱动部件的输出端与对应的滑轨滑动连接从而驱动相应轴框架的线性平移。

本发明的有益效果是：本发明通过安装在骨架上配重驱动件驱动配重的线性平移来实现配重的偏心和机器人在偏心所产生的惯性力矩作用下滚动和转向，由于配重相对于骨架只有线性运动，没有转动，大大简化了控制系统和驱动系统设计，保持连续不间断的运动同时可以确保运动的稳定性。

附图说明

下面结合附图和实施方式对本发明进一步说明。

图1是球形机器人的结构原理图；

图2是配重偏心的原理示意图；

图3是一组直线驱动部件的驱动配重的原理图；

图4是球形机器人一种实施例的结构示意图；

图5是球形机器人平移的运动示意图；

图6是球形机器人平移运动的力矩分析图；

图7是球形机器人转向的运动示意图；

图8是球形机器人转向运动的力矩分析图。

具体实施方式

参考图1的球形机器人，包括球形外壳1以及在球形外壳1内部的驱动装置。驱动装置包括骨架、配重2和配重驱动件。

其中，配重2在球形外壳1内具有至少三个方向的线性平移自由度，而且各线性平移自由度并不全部在同一平面上，从而配重2能够在外部驱动下在笛卡尔坐标系内运动至某一特定的位置。一般来说配重2仅需要有三个方向的线性平移自由度即能实现相应的功能，为此以下实施例的线性平移是基于空间坐标系中的x、y、z的三个方向。

配重2能够移动至球形外壳1的中心，即到达球形机器人的中心位置，此时球形机器人处于静止状态；配重2也可以偏离球形外壳1的中心，即相对于中心位置处于偏心状态，此时，球形外壳1会沿该偏心方向滚动以达到平衡。

所述的配重驱动件，设置在球形外壳1内，但是与球形外壳1是分离的而并不产生接触，配重驱动件的输出端驱动配重2在上述的方向上线性平移。

所述的骨架在图1和图2中并未显示，但是本领域技术人员应该很容易知道骨架可以与球形外壳1活动连接，而配重驱动件安装在骨架上。

实施例中，配重驱动件需要进行供电，也需要进行驱动控制（沿某个方向驱动以及线性平移量等），由此在球形外壳1内还设置有电池和电路控制板，电路控制板通过线路与配重驱动件信号连接，电池为配重驱动件和电路控制板供电。电池和电路控制板安装在骨架上，并且其重量相对于配重驱动件和骨架来重，为此在本球形机器人中作为配重2。这种方案的配重质量占球形机器人总重比例较大，可以提供更大的惯性力矩，使机器人有更高的速度和更灵活的转弯能力。

以下对本球形机器人的运动及原理进行说明。

假设球形机器人与地面纯滚动约束，对其结构进行简化，形成如图5至图8所示。

参考图5，球形机器人进行平移时，配重2在配重驱动件带动下进行线性平移而改变位置，从而改变整个球形机器人的重心位置，达到控制机器人滚动。

参见图6的力矩分析，配重驱动件驱动配重m₁与球体主轴产生一定的角度θ，通过配重位置变化改变机器人的重心位置，产生的偏心力矩可以使机器人向前滚动。随着机器人滚动，配重驱动件做持续线性运动以维持配重相对于惯性坐标系的夹角，控制机器人做持续运动。

机器人向前运动时，重心总力矩为：

。

其中，

m₁： 配重质量；

m₂： 机器人质量；

r： 配重和机器人重心间距；

m： 摩擦系数≈ 0.3；

g： 重力加速度 = 9.8 m/s²；

R： 球形外壳半径；

I_T： 惯性力矩；

： 偏移负载与球体Z轴夹角。

参考图7，配重m₁沿某一方向偏移，电机维持配重相对于惯性坐标系的摆角，使机器人进行转向。

如果图6是球形机器人的侧视图，那么图8是机器人的前视图，此时机器人做转向运动（沿一条虚拟半径），重心力矩为：

。

其中，d:旋转配重相对于重心的偏移；R_h：盘旋半径。

在实施例中，驱动装置还包括并未图示的设置在球形外壳1上或者骨架上的惯性测量单元，惯性测量单元可以为若干个传感器，这些传感器信号连接电路控制板并由电池供电。实施例中采用惯性测量单元配合配重驱动件的控制实现球形机器人的精准控制。

优选的，配重驱动件与骨架的重心大致位于球形外壳1的中心位置，在运动过程中尽量使配重驱动件与骨架对于重心不造成太大的影响。

进一步优选的，参考图1，配重驱动件包括三组直线驱动部件，分别为x轴直线驱动部件7、y轴直线驱动部件8、z轴直线驱动部件9。每组直线驱动部件对应驱动配重2在对应一个方向的线性平移。结合图1和图2，图1中配重2恰好位于球形外壳1的中心，为了控制其平移，z轴直线驱动部件9驱动配重2向z轴的反向运动一小段距离，同时x轴直线驱动部件7驱动配重2沿x轴方向运动一小段距离，形成如图2所示的偏心状态。每组直线驱动部件均是与球形外壳1分离的，在任何状态下均不接触球形外壳1。

实施例中，参考图3，以x轴直线驱动部件7举例说明。x轴直线驱动部件7包括输出方向相互平行的两台直线步进电机71、72，可以理解为两台直线部件电机71、72位于同一平面上。该两台直线步进电机对向安装或背向安装，并且这两台直线步进电机以球形外壳1的中心呈中心对称分布。另外的y轴直线驱动部件8、z轴直线驱动部件9均具有相同结构的直线步进电机。实施例中，保持每组直线驱动部件的两台直线部件电机的对称，那么驱动的时候一方面能够保持配重的平稳，另一方面也能保证直线驱动部件不易偏心。另外，使用直线步进电机还可以通过驱动器信号输入端输入的脉冲数量和频率实现步进电机的角度和速度控制，无需反馈信号。

以上仅是对球形机器人的结构原理进行了说明，在更具体的实施例中，上述的直线驱动部件通过连接并驱动骨架来驱动配重2。

参考图4，骨架至少包括由外至内设置的第一轴框架3、第二轴框架4和第三轴框架5，第一轴框架3与第二轴框架4、第二轴框架4与第三轴框架5、第一轴框架3与第三轴框架5通过不同组的直线驱动部件连接，配重2与第三轴框架5固定连接。以第一轴框架3和第二轴框架4的相互关系举例来说，x轴直线驱动部件7的两个直线步进电机的固定端固定在第一轴框架3上，输出端连接第二轴框架4从而带动第二轴框架4的沿x轴线性平移；由于第二轴框架4通过另外一组直线驱动部件连接第三轴框架5，第三轴框架5与配重2连接，从而第二轴框架4的线性平移带动配重2做沿x轴的线性平移。其他轴框架的相互连接关系采用类似相同的结构，因此不做详细的描述。

再进一步，每一轴框架上均设有滑轨6，对应直线驱动部件的输出端（滑块）与对应的滑轨6滑动连接从而驱动相应轴框架的线性平移。

实施例的球形机器人还包括以下的优点：

第一，结构简单，运动灵活，易于控制。每个轴框架由对称的直线步进电机控制，机器人在惯性力矩作用下滚动，由于没有复杂的控制机构及驱动机构，可以利用有限的球内空间而增加机器人的附加功能。

第二，配重与轴框架只有线性运动，没有转动，大大简化了控制系统和驱动系统设计，保持连续不间断的运动同时可以确保运动的稳定性。

第三，只要保持所有零部件（直线步进电机等）的设计尽量对称，确保轴框架的重量和强度，使配重和周边零件达到合适的重量比例，可以使球形机器人高效运动。

第四，各部件结构简单，便于控制成本，易于投入商业生产，由于结构简单高效，在后期维护及改进方面更加高效经济。

第五，机器人采用惯性测量单元配合直线步进电机的控制实现球形机器人的精准控制。

以上所述只是本发明优选的实施方式，其并不构成对本发明保护范围的限制。